Дослідники з Інсбруцького університету під керівництвом Пола Шаєра вперше реалізували абстрактну проблему Томсона в лабораторному експерименті: використавши нанокраплі надплинного гелію та наночастинки золота, вони зафіксували точне розташування електричних зарядів на сферичній поверхні.

Проблему Томсона сформульовано ще 1904 року: коли однакові електричні заряди опиняються на замкненій сферичній поверхні, вони прагнуть розташуватися так, щоб взаємне відштовхування було мінімальним. Концептуально ідея проста, але з кожним новим зарядом обчислювальна складність задачі різко зростає. Свого часу її запропонував нобелівський лауреат Джозеф Джон Томсон у рамках першої моделі атома — так званої моделі «пудингу». 1998 року математик Стівен Смейл включив цю задачу до переліку 18 найважливіших математичних проблем XXI століття під номером 7. Її розв'язання має значення для розуміння будови фулеренів, вірусних оболонок і колоїдних структур.

Команда Пола Шаєра з кафедри іонної та прикладної фізики Інсбрукського університету знайшла спосіб перевести цю абстракцію в площину реального експерименту. Вчені отримали нанокраплі надплинного гелію за температури -273,15°C і за допомогою електронного пучка багаторазово заряджали їх — заряди майже безперешкодно переміщувалися на поверхню крапель. Далі краплі проходили крізь пару золота: атоми металу приєднувалися до центрів зарядів, утворюючи однозарядні наночастинки приблизно з 700 атомів золота кожна.

Коли такі краплі потрапляли на сітку просвічувального електронного мікроскопа, гелій миттєво випаровувався, залишаючи золотий відбиток початкової конфігурації зарядів. Дослідники проаналізували 25 відбитків із кількістю зарядів від 5 до 36 на одну краплю — виявлені візерунки повністю збіглися з теоретично передбаченими конфігураціями найнижчої енергії.

На більших краплях радіусом до 1 мікрометра частинки золота утворювали гексагональну ґратку з ізольованими п'ятикратними дефектами. Поява таких дефектів закономірна: рівний шестикутний візерунок не може вкрити викривлену поверхню без розривів — так само як п'ятикутники є невід'ємною частиною структури звичайного футбольного м'яча.

За словами авторів, їм вдалося змінити звичну логіку взаємодії між теорією та експериментом: замість того щоб математично передбачати спостережувані явища, фізики надали природі можливість самостійно згенерувати розв'язання складної задачі. Результати опубліковано в науковому журналі Physical Review Letters.

У подальших дослідженнях вчені планують знизити швидкість руху крапель, щоб уникнути спотворень за великих зарядів, а також вивчити впорядкування зарядів на складніших викривлених поверхнях — під час обертання гелієві краплі можуть набувати несферичних форм.